工業合成氨[圖片]民以食為天糧食增產吃不飽吃的飽如何使糧食增產呢？禾下乘涼夢改良品種糧食危機肥料

2023/10/273制氮肥的原料環節一——構建化工生產主反應選擇思路1898年，英國科學家克魯克斯發出了“向空氣要氮肥”的號召氮的固定N2氮肥2023/10/274回顧學過的固氮反應，哪個反應可以實現工業化生產?說明原因？環節一——構建化工生產主反應選擇思路高能固氮生物固氮N2+O2=2NON2+3H22NH32023/10/275回顧學過的固氮反應，哪個反應可以實現工業化生產?說明原因？環節一——構建化工生產主反應選擇思路2023/10/276回顧學過的固氮反應，哪個反應可以實現工業化生產?說明原因？環節一——構建化工生產主反應選擇思路N2+3H22NH31.NH3

可以進一步轉化為

被植物吸收和利用;2.該反應原料來源豐富;3.合成氨反應ΔH＜0，ΔS＜0，低溫下反應能自發進行;

4.該反應在常溫下反應限度較大。2023/10/277著名化學家、中科院資深院士2008年國家最高科學技術獎獲得者假如沒有發明合成氨，以及第一、第二、第三代新農藥的技術，世界糧食產量至少要減半，60億人口中的30億會被餓死。——徐光憲如何調控反應條件使它滿足工業化生產的要求呢?環節一——構建化工生產主反應選擇思路2023/10/278環節二——選擇合成氨反應條件溫故知新：影響化學反應速率和化學平衡的重要因素有哪些?影響因素

化學反應速率

化學平衡氣體壓強溫度濃度催化劑溫度越高,反應速率越大壓強越大,反應速率越大正催化劑加快反應速率反應物濃度越大,反應速率越大升高溫度,平衡向吸熱方向移動增大壓強,平衡向氣體分子數減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應物濃度,平衡正向移動2023/10/279環節二——選擇合成氨反應條件如何從溫度、濃度、壓強、催化劑角度提高合成氨的反應速率和限度?理論指導

化學反應速率

化學平衡氣體壓強溫度濃度催化劑高壓高溫使用高壓低溫不影響增大原料氣濃度分離出氨氣原料循環利用2023/10/2710環節二——選擇合成氨反應條件壓強的選擇：p=10～30MPaΔH=－92.2kJ·mol－1N2(g)+3H2(g)2NH3(g)壓強的選擇平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強的關系2023/10/2711環節二——選擇合成氨反應條件溫度的選擇【分析】1.因為正反應方向是放熱的反應，所以降低溫度有利于平衡正向移動。2.溫度越低，反應速率越小，達到平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。3.催化劑要在一定溫度下催化活性最大。如何面對從理論上分析溫度對于限度和速率的影響相互矛盾的問題?ΔH=－92.2kJ·mol－1N2(g)+3H2(g)2NH3(g)2023/10/2712環節二——選擇合成氨反應條件溫度的選擇溫度的選擇：較高溫度【點睛】速率和限度是工業生產需要考慮的兩大核心因素，我們需要統籌兼顧，當二者發生矛盾時，優先調控反應速率，并遵循催化劑活性最大化的原則。ΔH=－92.2kJ·mol－1N2(g)+3H2(g)2NH3(g)工業生產追求的目標：單位時間產率最大化2023/10/2713環節二——選擇合成氨反應條件催化劑的選擇催化劑的選擇：鐵觸媒500℃活性最佳相同時間內氨的含量與溫度、催化劑的關系溫度的選擇：較高溫度T=400-500℃2023/10/2714請畫出催化劑參與下合成氨反應過程中的能量變化環節二——選擇合成氨反應條件理解催化劑作用下的反應歷程催化劑參與下合成氨反應能量-反應歷程圖兩個峰的含義？2023/10/2715多個峰的含義？1.加入催化劑之后，活化能大大降低;

2.加入催化劑之后，產生了幾個小峰，說明發生了幾個反應。環節二——選擇合成氨反應條件理解催化劑作用下的反應歷程計算機模擬的鐵觸媒參與下合成氨反應能量-反應歷程圖2023/10/2716斷鍵成鍵吸附脫附擴散→吸附→表面反應→脫附→擴散環節二——選擇合成氨反應條件理解催化劑作用下的反應歷程2023/10/2717吸附表面反應脫附環節二——選擇合成氨反應條件理解催化劑作用下的反應歷程2023/10/2718決速步驟脫附：NH3(ad)→NH3(g)吸附：N2(g)→N2(ad)H2(g)→H2(ad)表面反應：N2(ad)→2N(ad)H2(ad)→2H(ad)N(ad)+H(ad)→NH(ad)NH(ad)+H(ad)→NH2(ad)NH2(ad)+H(ad)→NH3(ad)環節二——選擇合成氨反應條件理解催化劑作用下的反應歷程2023/10/27191.增加N2的濃度(分壓)，從而增加N2的吸附濃度，加快決速步驟的反應速率。2.及時移走生成的NH3，為N2和H2騰出更多可供吸附的催化劑表面空間環節二——選擇合成氨反應條件理解催化劑作用下的反應歷程決速步驟2023/10/2720環節二——選擇合成氨反應條件投料比的選擇投料比的選擇：n(N2)∶n(H2)=1∶2.8ΔH=－92.2kJ·mol－1N2+3H22NH3某壓強、溫度不同N2和H2的體積比與平衡時氨含量關系2023/10/2721環節二——選擇合成氨反應條件歸納總結外部條件工業合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑投料比依據設備耐壓性等因素10-30MPa依據催化劑活性等因素400-500℃左右使用鐵觸媒作催化劑n(N2)∶n(H2)=1∶2.82023/10/2722環節三——構建動態開放體系的認識模型合成氨反應達平衡了嗎?判斷依據是什么?2023/10/2723環節三——構建動態開放體系的認識模型作圖表示從投料到平衡，總反應的速率——時間變化曲線速率時間合成氨從進料→出塔單循環的速率-時間曲線合成氨從進料→平衡的速率-時間曲線2023/10/2724環節三——構建動態開放體系的認識模型速率時間工業上不等到反應達平衡，而采用不斷投料的方式進行生產的優勢是什么?工業生產追求的目標：單位時間產率最大化2023/10/2725環節四——構建調控化學反應的思維模型總結工業條件優化的一般思維模型工業條件優化單位時間產率最大化壓強溫度投料化學反應限度ΔH、ΔS、K化學反應速率反應微觀歷程催化劑影響2023/10/2726環節四——構建調控化學反應的思維模型模型應用(1)應選擇的溫度是________，理由是

。溫度不同壓強下SO2的轉化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3450℃該反應是放熱反應，升高溫度，轉化率降低；在450℃反應物轉化率較高已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)

ΔH<0的實驗數據如下表:2023/10/2727環節四——構建調控化學反應的思維模型(2)應采用的壓強是________，理由是：(3)在合成SO3的過程中，不需要分離出SO3的原因是：(4)生產中通入過量空氣的目的是_____________________________。1×105Pa

常壓下SO2的轉化率已經很高，若采用較大的壓強，SO2的轉化率提高很少，但需要動力更大，對設備的要求更高SO2的轉化率比較高，達到平衡后的混合氣體中SO2的余量很少增大O2濃度、提高SO2的轉化率溫度不同壓強下SO2的轉化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.32023/10/2728催化劑：鋨溫度：500~600℃壓強：17.5~20.0MPa產